一种PMU测量准确度水平在线评估方法

技术领域

本发明属于计算机技术领域，尤其涉及一种PMU测量准确度水平在线评估方法。

背景技术

目前，相量测量单元(PMU)广泛应用于输电网中，用于电力系统的监测、保护和控制。此外，PMU有望在类似应用的配电网络中发挥重要作用。根据IEEE/IEC 60255-118-1标准，PMU的测量值，包括同步相量、频率和频率变化率，分别以总矢量误差、频率误差和频率变化率误差为指标进行离线评估，这种评估通常是PMU在电力系统离线状态中进行的。然而，由于PMU的输入实际上是未知的，PMU测量的理论值也是未知的。因此，PMU的总矢量误差、频率误差和频率变化率误差无法在线计算。虽然PMU的现场测试是在线校准的，并使用传统的指标总矢量误差，频率误差和幅度误差来评估测量的准确度水平，但远程校准所有的PMU需要较为高昂的成本。

在线评估PMU测量的准确度水平是非常有必要性的。在故障条件下，PMU测量可能出现谬误，容易导致错误的保护和控制判定。

另外，业内人士已经关注不良数据检测，即PMU测量数据由相量数据集中器采集，在主站进行分析。不良数据可能由测量准确度低、通信协议错误、设备干扰等因素造成。由此，上述方法无法准确评估PMU的测量准确度水平。

发明内容

(一)要解决的技术问题

为了解决现有技术的上述问题，本发明提供一种PMU测量准确度水平在线评估方法。

(二)技术方案

为了达到上述目的，本发明采用的主要技术方案包括：

本发明提供了一种PMU测量准确度水平在线评估方法，包括：

S10、PMU实时获取该PMU测量的参数信息、实时信号采样数据，所述参数包括：基波幅值、频率和相位；

S20、所述PMU根据所述参数信息、实时信号采样数据和预先给定的窗函数，获取加窗信号的离散傅里叶变换和加窗残差信号的离散傅里叶变换；

S30、所述PMU根据加窗信号的离散傅里叶变换和加窗残差信号的离散傅里叶变换、预先定义的指标总波形误差TWE表达关系，获取的用于评估PMU测量准确度水平的TWE。

可选地，所述S20包括：

根据下述公式一，获取加窗信号的离散傅里叶变换S

公式一：

其中，ω(·)为窗函数，s(n)为实时信号采样数据，m为电压/电流波形中基波分量的谱线的序号；n＝-N/2，...，N/2，即n为采样点编号，2N+1表示时间窗内采样点数；N为大于1的自然数；

根据下述公式二，获取加窗残差信号的离散傅里叶变换S

公式二：

s

可选地，所述S20包括：根据下述公式三，获取基波分量和重构的基波分量；

s

分别为参数信息中的基波幅值、频率和相位的测量值；

a

可选地，所述S30包括：根据下述公式四，获取用于评估PMU测量准确度水平的TWE；

采用基波分量所属的第1～2c根谱线获得TWE。

可选地，所述方法还包括：

S40、PMU基于预先定义的TWE等级信息，获取评估PMU测量准确度水平的TWE的等级；

S50、PMU上报该PMU本次测量的参数信息和本次参数信息所属的TWE的等级。

可选地，所述方法还包括：

S40a、PMU基于预先定义的TWE等级信息，获取评估PMU测量准确度水平的TWE的等级；预先定义的TWE等级信息为三个等级；

S50a、PMU确定所述评估PMU测量准确度水平的TWE的等级为最低的第三个等级，则将本次测量的参数信息丢弃，并上报不合格信息。

可选地，窗函数为Hann窗函数、hamming窗函数、blackman窗函数中的一种。

第二方面，本发明实施例还提供一种PMU测量准确度水平在线评估装置，包括：

测量单元，用于实时获取该PMU测量的参数信息、实时信号采样数据，所述参数包括：基波幅值、频率和相位；

处理单元，用于根据所述参数信息、实时信号采样数据和预先给定的窗函数，获取加窗信号的离散傅里叶变换和加窗残差信号的离散傅里叶变换；以及根据加窗信号的离散傅里叶变换和加窗残差信号的离散傅里叶变换、预先定义的指标总波形误差TWE表达关系，获取的用于评估PMU测量准确度水平的TWE。

可选地，还包括：

发送单元，用于基于预先定义的TWE等级信息，获取评估PMU测量准确度水平的TWE的等级并上报该PMU本次测量的参数信息和本次参数信息所属的TWE的等级；

或者，

发送单元，用于基于预先定义的TWE等级信息，获取评估PMU测量准确度水平的TWE的等级，以及确定所述评估PMU测量准确度水平的TWE的等级为第三个等级，则将本次测量的参数信息丢弃，并上报不合格信息。

(三)有益效果

本发明的方法可以有效实现PMU对自身测量的参数信息进行在线测量的准确度评估，该方法计算量少，保证了PMU的实时在线测量，且使得准确度评估准确，在PMU上报过程中可以将参数信息和准确度评估的信息一并上报主站，可使得主站基于准确度评估信息可有效进行后续的控制决策。

在本发明中，TWE为评估指标，其基于基波有效值与残差有效值之比，其中排除了谐波在TWE计算中的影响。本发明的方法经实验验证在PMU测量准确度度等级评价中是有效的。评估指标TWE还可用于阶跃变化条件下的不良数据结果检测。借助于相量数据集中器连接主站的每一PMU中均可实现，节省了主站的计算量，保证了主站获取信息的准确性。

附图说明

图1为本发明提供的一种PMU测量准确度水平在线评估方法的流程示意图；

图2为本发明实施例中TWE等级划分的示意图。

具体实施方式

为了更好的理解上述技术方案，下面将参照附图更详细地描述本发明的示例性实施例。虽然附图中显示了本发明的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更清楚、透彻地理解本发明，并且能够将本发明的范围完整的传达给本领域的技术人员。

在线评估相量测量单元(phasor measurement unit，PMU)测量的准确度水平对不良结果的标记和PMU测量准确度范围的评估具有非常重要的意义。该结果可用于避免电力系统保护和控制误操作，提高电力系统状态估计的准确性。

对于PMU测量的每一测量数据即每一帧，若可以使用一个指标来量化测量的准确度水平，那么对PMU的测量信号的等级可以直接标识，使得后续主站可有效避免错误的控制决策。

本发明提供一种PMU测量准确度水平在线评估方法。在在线评估过程中使用统一的指标——总波形误差(total waveform error，TWE)，以更有效地评价PMU测量的准确度水平。该TWE指标的获取中采用统一的模型重构基波信号，并将谐波分量排除在总波形误差计算之外且在计算处理中能够有效减少PMU的计算量。由此，在广域监测系统中可获取PMU上报的同步相量、频率和频率变化率的信息之外，还能够获取PMU上报的当前同步相量、频率和频率变化率的TWE，保证了测量的准确性。

下述实施例中的基波信号、基波分量、基波分量信号均表示同一含义即基波分量。

如图1所示，本发明提供一种PMU测量准确度水平在线评估方法，该方法的执行主体为连接主站的每一PMU，即各PMU对自己测量的参数信息进行准确度水平的在线评估，以确定测量的准确度水平是否达标。本实施例的方法包括下述步骤：

S10、S10、PMU实时获取该PMU测量的参数信息、实时信号采样数据，所述参数包括：基波幅值、频率和相位。

在实际应用中，PMU还可以采集其他参数信息，本实施例不对其限定，根据实际需要设置。

S20、所述PMU根据所述参数信息、实时信号采样数据和预先给定的窗函数，获取加窗信号的离散傅里叶变换和加窗残差信号的离散傅里叶变换；

S30、所述PMU根据加窗信号的离散傅里叶变换和加窗残差信号的离散傅里叶变换、预先定义的指标总波形误差TWE表达关系，获取的用于评估PMU测量准确度水平的TWE。

举例来说，在实际应用中，上述方法还可包括下述的图中未示出的步骤S40和步骤S50：

S40、PMU基于预先定义的TWE等级信息，获取评估PMU测量准确度水平的TWE的等级；

S50、PMU上报该PMU本次测量的参数信息和本次参数信息所属的TWE的等级。

在另一可能的实现方式中，本实施例的方法还可包括下述的图中未示出的步骤S40a和步骤S50a：

S40a、PMU基于预先定义的TWE等级信息，获取评估PMU测量准确度水平的TWE的等级；所述预先定义的TWE等级信息为三个等级；

S50a、PMU确定所述评估PMU测量准确度水平的TWE的等级为最低的第三个等级，则将本次测量的参数信息丢弃，并上报不合格信息。

本实施例的方法可以有效实现PMU对自身测量的参数信息进行在线测量的准确度评估，该方法计算量少，保证了PMU的实时在线测量，且使得准确度评估准确，在PMU上报过程中可以将参数信息和准确度评估的信息一并上报主站，可使得主站基于准确度评估信息可有效进行后续的控制决策。

在另一可选的实现方式中，针对上述的步骤S20，下面给出一种具体的实现方式：

S21、根据下述公式一，获取加窗信号的离散傅里叶变换S

公式一：

其中，ω(·)为窗函数，该窗函数可为Hann窗函数、hamming窗函数、blackman窗函数中的一种。

s(n)为实时信号采样数据，m为电压/电流波形中基波分量的谱线的序号；n＝-N/2，...，N/2，即n为采样点编号，2N+1表示时间窗内采样点数；N为大于1的自然数；

S22、根据下述公式二，获取加窗残差信号的离散傅里叶变换S

公式二：

s

S23、根据下述公式三，获取基波分量和重构的基波分量；

s

分别为PMU测量的参数信息中的基波幅值、频率和相位，a

针对上述的步骤S30，下面给出一种具体的实现方式：

根据下述公式四，获取用于评估PMU测量准确度水平的TWE；

采用基波分量所属的第1～2c根谱线获得TWE。

在本实施例中，TWE为评估指标，其基于基波有效值与残差有效值之比，其中排除了谐波在TWE计算中的影响。本实施例的方法经实验验证在PMU测量准确度度等级评价中是有效的。评估指标TWE还可用于阶跃变化条件下的不良数据结果检测。借助于相量数据集中器连接主站的每一PMU中均可实现，节省了主站的计算量，保证了主站获取信息的准确性。

为更好的理解上述实施例中的TWE，下面对TWE的获取过程进行说明。

通常，有效性意味着该指标必须正确地指示PMU测量的准确度水平。现有的数据分析方法检测不良PMU数据，无法量化PMU测量的准确度水平。TWE定义为基频有效值与基频残差有效值的比值。

TWE为新定义的在线评价PMU测量准确度水平的指标，进而PMU可根据TWE进行PMU测量的准确度水平进行评级。

本实施例中，将总波形误差定义为基波有效值与基波残差有效值之比，定义如式(1)：

在式(1)中，基波波形s

s

在式(1)中，基波残差分量s

表示基于PMU实时测量得到的同步相量结果重构得到的基波信号。在实际应用中，PMU测量的幅值和相位信息组成同步相量结果。

具体而言，采用基波幅值、相位和频率测量结果，计算得到的用于基波分量信号的重构：

其中，

然而，电力系统电压电流波形一般包含基波分量和谐波分量，实际信号中的基波分量s

其中，

式(6)用于计算加窗信号的离散傅里叶变换；其中，w(·)为窗函数，可以采用典型Hann窗、hamming窗、blackman窗等窗函数。利用窗函数可以有效抑制谐波频谱泄漏，从而显著降低残差中的谐波功率。

为计算离散傅里叶变换的基波时间窗长度(/>

式(7)用于计算加窗残差信号的离散傅里叶变换。需要说明的是，式(5)仅采用第1～2c根谱线计算TWE。这主要是由于其他谱线包含谐波信息，可不予考虑。

另外，在本实施例中，对于特定的窗长，可设置两个总波形误差阈值，将PMU测量分为3个准确度等级，如图2所示。

不同的准确度等级阈值确定方法如下：总矢量误差和频率误差阈值大多分别为1％和0.005Hz。这些阈值也用于阶跃变化测试，用于计算响应时间。本实施例中是使用TVE和频率误差阈值来确定TWE阈值，定义基准信号如式(8)。

s

由于总矢量误差与基波幅值、相位和频率变化无关，将它们分别设置为1,0rad和f

然后根据式(5)计算TWE，将TWE分为3个等级，分别根据图2确定等级。

本实施例中，总矢量误差用幅度误差来表示。由于频率误差要求比总矢量误差要求更难满足，因此根据公式(8)表示的基波波形、(9)表示的重构波形和以上TWE计算方法计算得到的TWE阈值对应的准确度水平最高，根据式(8)表示的基波波形、(10)表示的重构波形和以上TWE计算方法计算得到的TWE阈值对应的是最低准确度水平。

另外，本发明实施例还提供一种PMU测量准确度水平的在线评估装置，包括：

测量单元，用于实时获取该PMU测量的参数信息、实时信号采样数据，所述参数包括：基波幅值、频率和相位；

处理单元，用于根据所述参数信息、实时信号采样数据和预先给定的窗函数，获取加窗信号的离散傅里叶变换和加窗残差信号的离散傅里叶变换；以及根据加窗信号的离散傅里叶变换和加窗残差信号的离散傅里叶变换、预先定义的指标总波形误差TWE表达关系，获取的用于评估PMU测量准确度水平的TWE。

上述的在线评估装置还包括：

发送单元，用于基于预先定义的TWE等级信息，获取评估PMU测量准确度水平的TWE的等级并上报该PMU本次测量的参数信息和本次参数信息所属的TWE的等级；

或者，

发送单元，用于基于预先定义的TWE等级信息，获取评估PMU测量准确度水平的TWE的等级，以及确定所述评估PMU测量准确度水平的TWE的等级为第三个等级，则将本次测量的参数信息丢弃，并上报不合格信息。

本实施例的在线评估单元可集成在PMU中，用于对PMU实时测量的参数进行处理，以评估PMU测量准确度水平，其计算量小，提高了计算速度，且能够使得PMU将测量的参数信息和在线评估的等级信息一并上报主站，便于主站进行后续的控制决策，保证了控制的准确性和可靠性。

再一方面，本发明实施例还提供一种PMU，包括：存储器和处理器，所述存储器中存储计算机程序，所述处理器执行所述存储器中的计算机程序，并执行上述任意实施例所述的一种PMU测量准确度水平的在线评估方法的步骤。

本发明实施例还提供一种主站，该主站通过相量数据集中器连接多个PMU，该PMU可执行上述的任意实施例的方法。

在本说明书的描述中，术语“一个实施例”、“一些实施例”、“实施例”、“示例”、“具体示例”或“一些示例”等的描述，是指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行改动、修改、替换和变型。